Partícula subatómica
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Modelo estándar de física de partículas
- ¿Hay alguna diferencia entre los fotones en la luz de las velas, que se pueden ver desde una distancia corta, y los fotones en el espacio que son visibles durante miles de millones de años luz?
- Hay un dicho que dice "no puedes estar en dos lugares a la vez". Yo pregunto, '¿por qué no?' ¿Puedes demostrar matemáticamente que nosotros, o un objeto arbitrario, no podemos estar en dos lugares al mismo tiempo?
- ¿Qué es la incertidumbre en la mecánica cuántica?
- ¿Cuál es un ejemplo de un estado cuántico tripartito que es biseparable pero no completamente separable?
- ¿Serán inestables los sistemas físicos creados con los principios de la mecánica cuántica?
Partículas fundamentales del modelo estándar.
Antecedentes
Constituyentes
Limitaciones
Científicos
- v
- t
- mi
En las ciencias físicas, las partículas subatómicas son partículas mucho más pequeñas que los átomos.
Hay dos tipos de partículas subatómicas: partículas elementales, que según las teorías actuales no están hechas de otras partículas; y partículas compuestas .
La física de partículas y la física nuclear estudian estas partículas y cómo interactúan.
En física de partículas, el concepto de partícula es uno de varios conceptos heredados de la física clásica. Pero también refleja la comprensión moderna de que, a escala cuántica, la materia y la energía se comportan de manera muy diferente de lo que gran parte de la experiencia cotidiana nos llevaría a esperar.
La idea de una partícula experimentó un serio replanteamiento cuando los experimentos mostraron que la luz podía comportarse como una corriente de partículas (llamados fotones), así como exhibir propiedades similares a las ondas. Esto llevó al nuevo concepto de dualidad onda-partícula para reflejar que las “partículas” a escala cuántica se comportan como partículas y ondas (también conocidas como wavículas). Otro concepto nuevo, el principio de incertidumbre, afirma que algunas de sus propiedades en conjunto, como su posición y momento simultáneos, no se pueden medir con exactitud.
En tiempos más recientes, se ha demostrado que la dualidad onda-partícula se aplica no solo a los fotones sino también a partículas cada vez más masivas.
Las interacciones de partículas en el marco de la teoría cuántica de campos se entienden como la creación y aniquilación de cuantos de las correspondientes interacciones fundamentales. Esto combina la física de partículas con la teoría de campo. Por estadísticas
Artículo principal: Teorema de spin-estadística
El modelo estándar de clasificación de partículas
Cualquier partícula subatómica, como cualquier partícula en el espacio tridimensional que obedece a las leyes de la mecánica cuántica, puede ser un bosón (un espín entero) o un afermión (un espín medio entero).
Por composición
Las partículas elementales del modelo estándar incluyen:
- Seis “sabores” de quarks: arriba, abajo, abajo, arriba, extraño y encanto;
- 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.
Varias extensiones del Modelo Estándar predicen la existencia de una partícula de gravitón elemental y muchas otras partículas elementales.
Las partículas subatómicas compuestas (como protones o núcleos atómicos) son estados unidos de dos o más partículas elementales. Por ejemplo, un protón está formado por dos quarks arriba y uno abajo, mientras que el núcleo atómico del helio-4 está compuesto por dos protones y dos neutrones. El neutrón está formado por dos quarks hacia abajo y uno hacia arriba. Las partículas compuestas incluyen todos los hadrones: estos incluyen bariones (como protones y neutrones) y mesones (como piones y kaones).
En masa
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 = mc 2. Es decir, la masa puede expresarse en términos de energía y viceversa. Si una partícula tiene un marco de referencia donde se encuentra en reposo, entonces tiene una masa de reposo positiva y se conoce como masiva .
Todas las partículas compuestas son masivas. Los bariones (que significan “pesado”) tienden a tener una masa mayor que los mesones (que significa “intermedio”), que a su vez tienden a ser más pesados que los leptones (que significa “ligero”), pero el leptón más pesado (la partícula tau) es más pesado que el dos sabores más ligeros de bariones (nucleones). También es cierto que cualquier partícula con carga eléctrica es masiva.
Todas las partículas sin masa (partículas cuya masa invariante es cero) son elementales. Estos incluyen el fotón y el gluón, aunque este último no puede aislarse.
Otras propiedades
A través del trabajo 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.
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 los macroscópicos; aunque las propiedades de onda de los objetos macroscópicos no se pueden detectar debido a sus pequeñas longitudes de onda.
Las interacciones entre partículas se han analizado durante muchos siglos, y algunas leyes simples apuntalan cómo se comportan las partículas en colisiones e interacciones. Las más fundamentales son las leyes de conservación de la energía y conservación del momento, que nos permiten hacer cálculos de las interacciones de partículas en escalas de magnitud que van desde las estrellas hasta los quarks.
Estos son los prerrequisitos básicos de la mecánica newtoniana, una serie de enunciados y ecuaciones en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica , originalmente publicada en 1687.
Dividiendo un átomo
El electrón cargado negativamente tiene una masa igual a 1⁄1837 o 1836 de la de un átomo de hidrógeno. El resto de la masa del átomo de hidrógeno proviene del protón cargado positivamente. 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. Diferentes isótopos del mismo elemento contienen el mismo número de protones pero diferentes números de neutrones. El número de masa de un isótopo es el número total de nucleones (neutrones y protones colectivamente).
La química se refiere a cómo el intercambio de electrones une a los átomos en estructuras como cristales y moléculas. La física nuclear se ocupa de cómo los protones y los neutrones se organizan en núcleos. El estudio de partículas subatómicas, átomos y moléculas, y su estructura e interacciones, requiere mecánica cuántica. Analizar procesos que cambian los números y tipos de partículas requiere una teoría cuántica de campos. El estudio de partículas subatómicas per se se llama física de partículas. El término física de alta energía es casi sinónimo de “física de partículas”, ya que la creación de partículas requiere altas energías: ocurre solo como resultado de rayos cósmicos, o en aceleradores de partículas. La fenomenología de partículas sistematiza el conocimiento sobre partículas subatómicas obtenidas de estos experimentos.
Total de isótopos conocidos de hidrógeno – Deuterio y tritio – 2
Historia
Artículos principales: Historia de la física subatómica y línea de tiempo de los descubrimientos de partículas.
El término “partícula subatómica ” es en gran parte un retrónimo de la década de 1960 hecho para distinguir una gran cantidad de bariones y mesones (que comprenden hadrones) de partículas que ahora se consideran verdaderamente elementales. Antes de eso, los hadrones generalmente se clasificaban como “elementales” porque su composición era desconocida.
Sigue una lista de descubrimientos importantes:
Partícula
Composición
Teorizado
Descubierto
Comentarios
Electrón
e−
elemental (lepton)
G. Johnstone Stoney (1874)
JJ Thomson (1897)
Unidad mínima de carga eléctrica, para lo cual Stoney sugirió el nombre en 1891.
partícula alfa
α
compuesto (núcleo atómico)
Nunca
Ernest Rutherford (1899)
Probado por Rutherford y Thomas Royds en 1907 para ser núcleos de helio.
Fotón
γ
elemental (cuántico)
Max Planck (1900)
Albert Einstein (1905)
o Ernest Rutherford (1899) como rayos γ
Necesario para resolver el problema de la radiación del cuerpo negro en termodinámica.
Protón
pag
compuesto (barión)
Hace mucho tiempo
Ernest Rutherford (1919, llamado 1920)
El núcleo de 1
H
.
Neutrón
norte
compuesto (barión)
Ernest Rutherford
C.
1918)
James Chadwick (1932)
El segundo nucleón.
Antipartículas
Paul Dirac (1928)
Carl D. Anderson
e +
, 1932)
Ahora explicado con simetría CPT.
Piones
π
compuesto (mesones)
Hideki Yukawa (1935)
César Lattes, Giuseppe Occhialini (1947) y Cecil Powell
Explica la fuerza nuclear entre los nucleones. El primer mesón (por definición moderna) que se descubrió.
Muon
μ−
elemental (lepton)
Nunca
Carl D. Anderson (1936)
El primer mesón llamado; hoy considerado un lepton.
Kaons
K
compuesto (mesones)
Nunca
1947
Descubierto en rayos cósmicos. La primera partícula extraña.
Lambda bariones
Λ
compuesto (bariones)
Nunca
Universidad de Melbourne(
Λ0
, 1950)
[12]
El primer hiperón descubierto.
Neutrino
ν
elemental (lepton)
Wolfgang Pauli (1930), nombrado por Enrique Fermi
Clyde Cowan, Frederick Reines (
ν
e, 1956)
Resolvió el problema del espectro energético de la desintegración beta.
Quarks
(
tu
,
re
,
s
)
elemental
Murray Gell-Mann, George Zweig (1964)
No hay un evento de confirmación particular para el modelo de quark.
quark encanto
C
elemental (quark)
1970
1974
quark bottom
si
elemental (quark)
1973
1977
Bosones de calibre débil
elemental (cuántico)
Glashow, Weinberg, Salam (1968)
CERN (1983)
Propiedades verificadas hasta la década de 1990.
quark top
t
elemental (quark)
1973
1995
No se hadroniza, pero es necesario para completar el modelo estándar.
bosón de Higgs
elemental (cuántico)
Peter Higgs y col. (1964)
CERN (2012)
Se cree que se confirmó en 2013. Se encontraron más pruebas en 2014.
[13]
Tetraquark
compuesto
?
Z
C
(3900), 2013,
para ser confirmado como un tetraquark
Una nueva clase de hadrones.
Graviton
elemental (cuántico)
Albert Einstein (1916)
No descubierto
La interpretación de una onda gravitacional como partícula es controvertida.
Monopolo magnético
elemental (sin clasificar)
Paul Dirac (1931)
No descubierto
