En la física de partículas , una partícula elemental o una partícula fundamental es una partícula subatómica sin subestructura, por lo tanto no está compuesta de otras partículas. [1] Las partículas que actualmente se piensa que son elementales incluyen los fermiones fundamentales ( quarks , leptones , antiquarks y antileptones ), que generalmente son "partículas de materia" y " partículas de antimateria ", así como los bosones fundamentales ( bosones de calibre y el bosón de Higgs). ), que generalmente son "partículas de fuerza" que medianInteracciones entre fermiones. [1] Una partícula que contiene dos o más partículas elementales es una partícula compuesta .
La materia cotidiana está compuesta de átomos , una vez que se presume que son partículas elementales de la materia ( átomo que significa "incapaz de cortar" en griego), aunque la existencia del átomo siguió siendo controvertida hasta alrededor de 1910, ya que algunos físicos destacados consideraban las moléculas como ilusiones matemáticas, y la materia estaba finalmente compuesta de energía. [1] [2] Pronto, se identificaron los constituyentes subatómicos del átomo. Cuando se abrió la década de 1930, se observaron el electrón y el protón [ cita requerida ] , junto con el fotón , la partícula de radiación electromagnética . [1]En ese momento, el reciente advenimiento de la mecánica cuántica estaba alterando radicalmente la concepción de las partículas, ya que una sola partícula aparentemente podría abarcar un campo como lo haría una onda , una paradoja que aún se escapa de una explicación satisfactoria. [3] [4]
A través de la teoría cuántica, se encontró que los protones y los neutrones contenían quarks , quarks up y quarks down, ahora considerados partículas elementales. [1] Y dentro de una molécula , los tres grados de libertad del electrón ( carga , espín , orbital ) se pueden separar a través de la función de onda en tres cuasipartículas ( holón , espinón , orbitón ). [5] Sin embargo, un electrón libre, que no está orbitando un núcleo atómico y carece deMovimiento orbital: aparece sin dividirse y permanece considerado como una partícula elemental. [5]
Alrededor de 1980, el estado de una partícula elemental como ciertamente elemental, un constituyente fundamental de la sustancia, fue descartado en su mayoría por una perspectiva más práctica, [1] incorporada en el Modelo Estándar de la física de partículas , lo que se conoce como la teoría más exitosa experimentalmente de la ciencia. [4] [6] Muchas elaboraciones y teorías más allá del Modelo Estándar , incluida la supersimetríapopular , duplican el número de partículas elementales al suponer que cada partícula conocida se asocia con un compañero "sombra" mucho más masivo, [7] [8] Aunque todos esos superpartners permanecen sin ser descubiertos. [6] [9]Mientras tanto, un bosón elemental que media la gravitación , el gravitón, permanece hipotético.
Descripción general [ editar ]
Todas las partículas elementales son, dependiendo de su giro -ya sea bosones o fermiones . Estos se diferencian a través del teorema de estadística de espín de las estadísticas cuánticas . Las partículas de espín de medio entero exhiben estadísticas de Fermi – Dirac y son fermiones. [1] Las partículas de espín entero , en otras palabras, entero entero, muestran estadísticas de Bose-Einstein y son bosones. [1]
| Partículas elementales | |||||||||||||||||||||||||||||
| Fermiones elementalesde medio entero giroobedecer la estadística de Fermi-Dirac | Bosones elementalesEntero giroobedecer a la estadística de Bose-Einstein | ||||||||||||||||||||||||||||
| Quarks y antiquarksSpin = 1/2Tienen carga de colorParticipa en interacciones fuertes | Leptons and antileptonsSpin = 1/2Sin carga de colorInteracciones deElectroweak | Gauge bosonsSpin = 1Force carriers | Bosones escalaresSpin = 0 | ||||||||||||||||||||||||||
Generaciones
|
Cuatro tipos (cuatro interacciones fundamentales)
| Bosón de Higgs (H 0 ) | |||||||||||||||||||||||||||
Notas:
1. El antielectrón (
e +
) se llama tradicionalmente positrón .
2. Todos los bosones portadores de fuerza conocidos tienen espín = 1 y, por lo tanto, son bosones vectoriales. El gravitón hipotético tiene espín = 2 y es un bosón tensor; Si se trata de un bosón gauge también, se desconoce.
1. El antielectrón (
e +
) se llama tradicionalmente positrón .
2. Todos los bosones portadores de fuerza conocidos tienen espín = 1 y, por lo tanto, son bosones vectoriales. El gravitón hipotético tiene espín = 2 y es un bosón tensor; Si se trata de un bosón gauge también, se desconoce.
En el Modelo estándar , las partículas elementales se representan para la utilidad predictiva como partículas puntuales . Aunque extremadamente exitoso, el Modelo Estándar está limitado al microcosmos por su omisión de la gravitación y tiene algunos parámetros agregados arbitrariamente pero sin explicación. [10]
Partículas elementales comunes [ editar ]
De acuerdo con los modelos actuales de nucleosíntesis del big bang , la composición primordial de la materia visible del universo debe ser aproximadamente 75% de hidrógeno y 25% de helio-4 (en masa). Los neutrones se componen de uno arriba y dos quarks abajo, mientras que los protones se hacen de dos arriba y uno abajo. Dado que las otras partículas elementales comunes (como los electrones, los neutrinos o los bosones débiles) son muy ligeras o raras en comparación con los núcleos atómicos, podemos descuidar su contribución de masa a la masa total observable del universo. 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 10 80 bariones (casi completamente protones y neutrones) en el universo observable. [11] [12] [13]
En términos de número de partículas, algunas estimaciones implican que casi toda la materia, excluyendo la materia oscura , se produce en los neutrinos, y que aproximadamente 10 86 partículas elementales de materia existen en el universo visible, en su mayoría neutrinos. [13] Otras estimaciones implican que aproximadamente 10 97 partículas elementales existen en el universo visible (sin incluir la materia oscura ), principalmente fotones y otros portadores de fuerza sin masa. [13]
Modelo estándar [ editar ]
El modelo estándar de la física de partículas contiene 12 sabores de fermiones elementales , más sus correspondientes antipartículas , así como los bosones elementales que median las fuerzas y el bosón de Higgs , que se informó el 4 de julio de 2012, como probablemente fue detectado por los dos principales experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones ( ATLAS y CMS ). Sin embargo, el modelo estándar es ampliamente considerado como una teoría provisional en lugar de una verdad fundamental, ya que no se sabe si es compatible con Einstein 's la relatividad general . Puede haber partículas elementales hipotéticas no descritas por el Modelo Estándar, como lasEl gravitón , la partícula que transportaría la fuerza gravitatoria , y las espartículas , socios supersimétricos de las partículas ordinarias.
Fermiones fundamentales [ editar ]
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, denominada electrón (
e -
), el muón (
μ -
), y la tau (
τ -
), los otros tres leptones son neutrinos (
ν
e ,
ν
μ ,
ν
τ ), que son los únicos fermiones elementales sin carga eléctrica o de color. Las seis partículas restantes sonquarks(discutidos a continuación).
e -
), el muón (
μ -
), y la tau (
τ -
), los otros tres leptones son neutrinos (
ν
e ,
ν
μ ,
ν
τ ), que son los únicos fermiones elementales sin carga eléctrica o de color. Las seis partículas restantes sonquarks(discutidos a continuación).
Generaciones [ editar ]
| Leptons | |||||
| Primera generación | Segunda generación | Tercera generación | |||
| Nombre | Símbolo | Nombre | Símbolo | Nombre | Símbolo |
| electrón | e - | muon | μ - | tau | τ - |
| neutrino electronico | ν mi | neutrino muon | ν μ | tau neutrino | ν τ |
| Los quarks | |||||
| Primera generación | Segunda generación | Tercera generación | |||
| hasta quark | tu | encanto quark | do | quark top | t |
| quark down | re | quark extraño | s | quark bottom | segundo |
Masa [ editar ]
La siguiente tabla enumera las masas medidas actuales y las estimaciones de masa para todos los fermiones, utilizando la misma escala de medida: millones de voltios de electrones en relación con el cuadrado de la velocidad de la luz (MeV / c²). Por ejemplo, la masa de quark más conocida es la del quark top (
t
) a 172.7 GeV / c² o 172 700 MeV / c², estimados utilizando el esquema En shell .
t
) a 172.7 GeV / c² o 172 700 MeV / c², estimados utilizando el esquema En shell .
| Símbolo de partícula | Nombre de la partícula | Valor de masa | Esquema de estimación de masa de quark (punto) |
|---|---|---|---|
ν e , ν μ , ν τ | Neutrino (cualquier tipo) | desconocido | |
e - | Electrón | 0.511 MeV / c² | |
tu | Hasta quark | 1.9 MeV / c² | Esquema MSbar ( μ MS = 2 GeV) |
re | Quark down | 4.4 MeV / c² | Esquema MSbar ( μ MS = 2 GeV) |
s | Extraño quark | 87 MeV / c² | Esquema MSbar ( μ MS = 2 GeV) |
μ - | Muon ( mu lepton ) | 105.7 MeV / c² | |
do | Quark encanto | 1 320 MeV / c² | Esquema MSbar ( μ MS = m c ) |
τ - | Tauon ( tau lepton ) | 1 780 MeV / c² | |
segundo | Quark bottom | 4 240 MeV / c² | Esquema MSbar ( μ MS = m b ) |
t | Quark top | 172 700 MeV / c² | Esquema en cáscara |
Las estimaciones de los valores de las masas de quarks dependen de la versión de la cromodinámica cuánticautilizada 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 producen los quarks, por lo que los valores para las masas de quarks no se pueden medir directamente. Dado que sus masas son tan pequeñas en comparación con la masa efectiva de los gluones circundantes, las pequeñas diferencias en el cálculo hacen grandes diferencias en las masas.
Antipartículas [ editar ]
También hay 12 antipartículas fermiónicas fundamentales que corresponden a estas 12 partículas. Por ejemplo, el antielectrón (positrón).
e +
es la antipartícula del electrón y tiene una carga eléctrica de +1.
e +
es la antipartícula del electrón y tiene una carga eléctrica de +1.
| Antileptons | |||||
| Primera generación | Segunda generación | Tercera generación | |||
| Nombre | Símbolo | Nombre | Símbolo | Nombre | Símbolo |
| positrón | e + | antimuon | μ + | antitau | τ + |
| electrón antineutrino | ν mi | antineutrino muon | ν μ | tau antineutrino | ν τ |
| Antiquarks | |||||
| Primera generación | Segunda generación | Tercera generación | |||
| hasta antiquark | tu | antiquark encanto | do | top antiquark | t |
| abajo antiquark | re | extraño antiquark | s | antiquark inferior | segundo |
Quarks [ editar ]
Nunca se han detectado quarks y antiquarks aislados, un hecho explicado por el confinamiento . Cada quark lleva una de las tres cargas de color de la interacción fuerte ; Los antiquarks también llevan 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 resulta en una amplificación de la fuerza fuerte a medida que se separan las partículas cargadas de color. 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 color se anulan, formando un mesón de color neutro . Alternativamente, tres quarks pueden existir juntos, uno de ellos es "rojo", otro "azul", otro "verde". Estos tres quarks de colores forman un barión de color neutro . Simétricamente, tres antiquarks con los colores "antired", "antiblue" y "antigreen" pueden formar un antibaryon de color neutro .
Los quarks también transportan cargas eléctricas fraccionarias , pero, como están confinados dentro de los hadrones cuyas cargas son integrales, las cargas fraccionarias nunca se han aislado. Tenga en cuenta que quarks tienen cargas eléctricas de cualquiera de + 2 / 3 o - 1 / 3 , mientras que antiquarks han cargas eléctricas de correspondiente bien - 2 / 3 o + 1 / 3 .
La evidencia de la existencia de quarks proviene de una profunda dispersión inelástica : disparar 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 debe ser uniforme y el electrón debe 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 de retroceso 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.
Bosones fundamentales [ editar ]
En el Modelo estándar, los bosones de vectores ( espín -1) ( gluones , fotones y los bosones W y Z ) median las fuerzas, mientras que el bosón de Higgs (espín-0) es responsable de la masa intrínseca de las partículas. Los bosones difieren de los fermiones en el hecho de que múltiples 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 giro de los bosones son enteros en lugar de enteros.
Gluons [ editar ]
Los glúteos 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 los 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, a veces en combinaciones, en total ocho variaciones de gluones.
Bosones electrodébiles [ editar ]
Hay tres bosones de calibre débil : 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 descompone en un par de antineutrinos de electrones y electrones. El Z 0 no convierte la carga, sino que más bien cambia de momento y es el único mecanismo para dispersar los neutrinos elásticamente. Los bosones de calibre débil se descubrieron debido al cambio de momento en los electrones del intercambio de neutrino-Z. El fotón sin masa media la interacción electromagnética.. Estos cuatro bosones de calibre forman la interacción electrodébil entre partículas elementales.
Bosón de Higgs [ editar ]
Aunque las fuerzas débiles y electromagnéticas nos parecen muy diferentes a las energías diarias, las dos fuerzas se teorizan para unificar como una sola fuerza electrodébil a altas energías. Esta predicción se confirmó claramente mediante mediciones de secciones transversales para la dispersión de protones de electrones 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 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 sin masa (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 se había 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 aproximadamente 125 GeV. [15] La significación estadística.de este descubrimiento se informó como 5-sigma, lo que implica una certeza de aproximadamente 99.99994%. En física de partículas, este es el nivel de significación requerido para etiquetar oficialmente las observaciones experimentales como un descubrimiento . La investigación sobre las propiedades de la partícula recién descubierta continúa.
Graviton [ editar ]
El gravitón es una hipotética partícula elemental de espín-2 propuesta para mediar la gravitación. Si bien permanece sin descubrir debido a la dificultad inherente a su detección , a veces se incluye en tablas de partículas elementales. [1] El gravitón convencional no tiene masa, aunque existen modelos que contienen gravitones de Kaluza-Klein masivos . [dieciséis]
Más allá del modelo estándar [ editar ]
Aunque la evidencia experimental confirma abrumadoramente las predicciones derivadas del Modelo Estándar , algunos de sus parámetros fueron agregados arbitrariamente, no determinados por una explicación particular, que sigue siendo un misterio, por ejemplo, el problema de la jerarquía . Las teorías más allá del Modelo Estándarintentan resolver estas deficiencias.
Gran unificación [ editar ]
Una extensión del Modelo estándar intenta combinar la interacción electrodébil con la interacción fuerte en una única "gran teoría unificada" (GUT). Tal fuerza se rompería espontáneamente en las tres fuerzas por un mecanismo similar a Higgs . La predicción más dramática de la gran unificación es la existencia de bosones X e Y , que causan la desintegración de protones . Sin embargo, la no observación de la descomposición de protones en el observatorio de neutrinos Super-Kamiokande descarta los GUT más simples, incluyendo SU (5) y SO (10).
Supersimetria [ editar ]
La supersimetría extiende el Modelo Estándar al agregar otra clase de simetrías al Lagrangiano . Estas simetrías intercambian partículas fermiónicas con las bosónicas . Dicha simetría predice la existencia de partículas supersimétricas , abreviadas como sparticles , que incluyen los sleptons , squarks , neutralinos y charginos . Cada partícula en el modelo estándar tendría una supercompañera cuyo giro se diferencia por 1 / 2 de la partícula ordinaria. Debido a la ruptura de la supersimetría., las esparticulas son mucho mas pesadas que sus contrapartes ordinarias; son tan pesados que los colisionadores de partículas existentes no serían lo suficientemente poderosos para producirlos. Sin embargo, algunos físicos creen que el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN detectará las partículas .
La teoría de cuerdas [ editar ]
La teoría de cuerdas es un modelo de física donde todas las "partículas" que componen la materia están compuestas por cuerdas (que miden en la longitud de Planck) que existen en una dimensión 11 (según la teoría M , la versión principal) o en la dimensión 12 ( Según la teoría F [17] ) universo. Estas cuerdas vibran a diferentes frecuencias que determinan la masa, la carga eléctrica, la carga de color y el giro. Una cadena puede estar abierta (una línea) o cerrada en un bucle (una esfera unidimensional, como un círculo). Cuando una cuerda se mueve a través del espacio, arrastra algo que se llama una hoja mundial . La teoría de cuerdas predice 1 a 10-branas (una 1- branasiendo una cuerda y una 10-brana siendo un objeto de 10 dimensiones) que evita las roturas en el "tejido" del espacio utilizando el principio de incertidumbre (por ejemplo, el electrón que orbita un átomo de hidrógeno tiene la probabilidad, aunque sea pequeña, de que pueda estar en cualquier parte otra cosa en el universo en un momento dado).
La teoría de cuerdas propone que nuestro universo es simplemente una 4-brana, dentro de la cual existen las 3 dimensiones espaciales y la dimensión temporal que observamos. Las 7 dimensiones teóricas restantes son muy pequeñas y acurrucadas (y demasiado pequeñas para ser accesibles macroscópicamente) o simplemente no existen / no pueden existir en nuestro universo (porque existen en un esquema mayor 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 las excitaciones vibracionales de la cuerda fundamental y la existencia de una partícula spinless-2 sin masa que se comporta como el gravitón .
Tecnicolor [ editar ]
Las teorías en tecnicolor intentan modificar el modelo estándar de una manera mínima mediante la introducción de una nueva interacción de tipo QCD. Esto significa que uno agrega una nueva teoría de los llamados Techniquarks, interactuando a través de los llamados Technigluons. La idea principal es que el Higgs-Boson no es una partícula elemental sino un estado limitado de estos objetos.
La teoría Preon [ editar ]
Según la teoría de Preon, hay uno o más órdenes de partículas más fundamentales que las (o la mayoría de ellas) que se encuentran en el Modelo Estándar. Los más fundamentales de estos normalmente se llaman preones, que se derivan de "pre-quarks". En esencia, la teoría preon trata de hacer para el Modelo Estándar lo que hizo el Modelo Estándar para el zoológico de partículas que vino antes. La mayoría de los modelos asumen que casi todo en el Modelo estándar puede explicarse en términos de tres a media docena más de partículas fundamentales y las reglas que gobiernan sus interacciones. El interés en los preones ha disminuido desde que se descartaron experimentalmente los modelos más simples en los años ochenta.
La teoría Acceleron [ editar ]
Los acelerones son las hipotéticas partículas subatómicas que vinculan integralmente la masa recién descubierta del neutrino a la energía oscura conjeturada para acelerar la expansión del universo . [18]
En teoría, los neutrinos están influenciados por una nueva fuerza que resulta de sus interacciones con los acelerones. La energía oscura se produce cuando el universo intenta separar los neutrinos.
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