Estructura
En física de partículas, los fermiones son partículas que obedecen a las estadísticas de Fermi-Dirac . Los fermiones pueden ser elementales, como el electrón o compuesto, como el protón y el neutrón. En el Modelo estándar , hay dos tipos de fermiones elementales: quarks y leptones, que se analizan a continuación.
Los quarks
Quarks son partículas de spin- 1 / 2 , lo que implica que son fermiones . Llevan una carga eléctrica de - 1 / 3 e(quarks abajo de tipo) o + 2 / 3 E (quarks up-tipo). Para comparación, un electrón tiene un cargo de −1 e. También llevan carga de color , que es el equivalente de la carga eléctrica para la interacción fuerte . Los quarks también sufren decaimiento radioactivo , lo que significa que están sujetos a la interacción débil . Los quarks son partículas masivas, y por lo tanto también están sujetos a la gravedad .
| nombre | símbolo | girar | carga eléctrica ( e ) | masa ( MeV / c 2 ) | masa comparable a | antipartícula | símboloantipartícula |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| quarks tipo up | |||||||
| arriba | tu | 1 / 2 | + 2 / 3 | 1.5 a 3.3 | ~ 5 electrones | antiup | tu |
| encanto | do | 1 / 2 | + 2 / 3 | 1160 a 1340 | ~ 1 protón | anticharm | do |
| parte superior | t | 1 / 2 | + 2 / 3 | 169,100 a 173,300 | ~ 180 protones o ~ 1 átomo detungsteno | antitop | t |
| quarks de tipo down | |||||||
| abajo | re | 1 / 2 | - 1 / 3 | 3.5 a 6.0 | ~ 10 electrones | contraataque | re |
| extraño | s | 1 / 2 | - 1 / 3 | 70 a 130 | ~ 200 electrones | antistrange | s |
| fondo | segundo | 1 / 2 | - 1 / 3 | 4130 a 4370 | ~ 5 protones | antibotón | segundo |
Materia bariónica
Los bariones son fermiones que interactúan fuertemente, por lo que están sujetos a las estadísticas de Fermi – Dirac. Entre los bariones se encuentran los protones y los neutrones, que se producen en los núcleos atómicos, pero también existen muchos otros bariones inestables. El término barióngeneralmente se refiere a triquarks, partículas hechas de tres quarks. Además, los bariones "exóticos" hechos de cuatro quarks y un antiquark se conocen como pentaquarks , pero su existencia no es generalmente aceptada.
La materia bariónica es la parte del universo que está hecha de bariones (incluidos todos los átomos). Esta parte del universo no incluye energía oscura , materia oscura , agujeros negros o varias formas de materia degenerada, como componer estrellas enanas blancas y estrellas de neutrones . La luz de microondas vista por Wilkinson Microwave Anisotropy Probe(WMAP), sugiere que solo alrededor del 4.6% de esa parte del universo dentro del alcance de los mejores telescopios (es decir, la materia que puede ser visible porque la luz podría llegar a nosotros) está hecha De la materia bariónica. Alrededor del 26.8% es materia oscura, y aproximadamente 68.3% es energía oscura. [32]
De hecho, la gran mayoría de la materia ordinaria en el universo no se ve, ya que las estrellas y el gas visibles dentro de las galaxias y los cúmulos representan menos del 10% de la contribución de la materia ordinaria a la densidad masa-energía del universo. [33]
Materia hadronica
La materia hadrónica puede referirse a la materia bariónica 'ordinaria', hecha de hadrones ( bariones y mesones ), o materia quark (una generalización de los núcleos atómicos), es decir La 'baja' temperatura de la materia QCD . [34] Incluye materia degenerada y el resultado de colisiones de núcleos pesados de alta energía. [35] Distinto de la materia oscura .
Materia degenerada
En física, la materia degenerada se refiere al estado fundamental de un gas de fermiones a una temperatura cercana al cero absoluto. [36] El principio de exclusión de Pauli requiere que solo dos fermiones puedan ocupar un estado cuántico, uno de giro y el otro de giro. Por lo tanto, a temperatura cero, los fermiones llenan los niveles suficientes para acomodar todos los fermiones disponibles, y en el caso de muchos fermiones, la energía cinética máxima (llamada energía de Fermi ) y la presión del gas se vuelven muy grandes, y depende de el número de fermiones en lugar de la temperatura, a diferencia de los estados normales de la materia.
Se cree que la materia degenerada ocurre durante la evolución de las estrellas pesadas. [37] La demostración de Subrahmanyan Chandrasekhar de que las estrellas enanas blancas tienen una masa máxima permitida debido al principio de exclusión causó una revolución en la teoría de la evolución de las estrellas. [38]
La materia degenerada incluye la parte del universo que está formada por estrellas de neutrones y enanas blancas.
Materia extraña
La materia extraña es una forma particular de materia de quarks , generalmente considerada como un líquido de quarks arriba , abajo y extraños . Se contrasta con la materia nuclear , que es un líquido de neutrones y protones(que a su vez se forman a partir de quarks up y down), y con la materia de quarks no extraña, que es un quark liquid que contiene solo quarks up y down. A una densidad suficientemente alta, se espera que la materia extraña sea superconductora del color . Se supone que la materia extraña ocurre en el núcleo de las estrellas de neutrones, o, más especulativamente, como gotitas aisladas que pueden variar en tamaño desde femtómetros ( strangelets ) hasta kilómetros ( estrellas de quarks ).
Dos significados del término "materia extraña"
En física de partículas y astrofísica , el término se usa de dos maneras, una más amplia y otra más específica.
- El significado más amplio es solo materia de quarks que contiene tres tipos de quarks: arriba, abajo y extraño. En esta definición, hay una presión crítica y una densidad crítica asociada, y cuando la materia nuclear (hecha de protones y neutrones ) se comprime más allá de esta densidad, los protones y los neutrones se disocian en quarks, produciendo materia de quarks (probablemente materia extraña).
- El significado más estrecho es la materia de quarks que es más estable que la materia nuclear . La idea de que esto podría suceder es la "hipótesis de materia extraña" de Bodmer [39] y Witten. [40] En esta definición, la presión crítica es cero: el verdadero estado fundamental de la materia es siempre la materia del quark. Los núcleos que vemos en la materia que nos rodea, que son gotitas de materia nuclear, son en realidad metastables , y si se les da el tiempo suficiente (o el estímulo externo correcto) se descompondrán en gotitas de materia extraña, es decir, extraños .
Leptons
Leptones son partículas de spin- 1 / 2 , lo que significa que son fermiones . Llevan una carga eléctrica de −1 e(leptones cargados) o 0 e (neutrinos). A diferencia de los quarks, los leptones no llevan carga de color , lo que significa que no experimentan la interacción fuerte . Los leptones también sufren un deterioro radioactivo, lo que significa que están sujetos a la interacción débil . Los leptones son partículas masivas, por lo tanto están sujetos a la gravedad.
| nombre | símbolo | girar | carga eléctrica ( e ) | masa ( MeV / c 2) | masa comparable a | antipartícula | símboloantipartícula |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| leptones cargados [41] | |||||||
| electrón | e - | 1 / 2 | −1 | 0.5110 | 1 electrón | antielectron | e + |
| muon | μ - | 1 / 2 | −1 | 105.7 | ~ 200 electrones | antimuon | μ + |
| tau | τ - | 1 / 2 | −1 | 1,777 | ~ 2 protones | antitau | τ + |
| neutrinos [42] | |||||||
| neutrino electronico | ν mi | 1 / 2 | 0 | <0 .000460="" font=""> | < 1 / 1.000 de electrones | electrón antineutrino | ν mi |
| neutrino muon | ν μ | 1 / 2 | 0 | <0 .19="" font=""> | < 1 / 2electrones | antineutrino muon | ν μ |
| tau neutrino | ν τ | 1 / 2 | 0 | <18 .2="" font=""> | <40 electrones="" font=""> | tau antineutrino | ν τ |
Fases
A granel , la materia puede existir en varias formas diferentes, o estados de agregación, conocidos como fases , [44]dependiendo de la presión ambiente , la temperatura y el volumen . [45] Una fase es una forma de materia que tiene una composición química y propiedades físicas relativamente uniformes (como densidad , calor específico , índice de refracción , etc.). Estas fases incluyen los tres familiares ( sólidos , líquidos y gases ), así como estados más exóticos de la materia (como los plasmas ,superfluidos , supersólidos , condensados de Bose-Einstein , ...). Un fluido puede ser un líquido, gas o plasma. También hay fases paramagnéticas y ferromagnéticas de materiales magnéticos . A medida que cambian las condiciones, la materia puede cambiar de una fase a otra. Estos fenómenos se denominan transiciones de fase y se estudian en el campo de la termodinámica . En nanomateriales, la proporción enormemente aumentada de área de superficie a volumen resulta en materia que puede exhibir propiedades completamente diferentes a las del material a granel, y no está bien descrita por ninguna fase a granel (consulte los nanomateriales para obtener más detalles).
Las fases a veces se llaman estados de la materia , pero este término puede generar confusión con los estados termodinámicos . Por ejemplo, dos gases mantenidos a diferentes presiones están en diferentes estados termodinámicos (diferentes presiones), pero en la misma fase (ambos son gases).
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